Информационный процесс, сигналы

Обязательными (необходимыми) элементами любого информационного процесса являются источник информации (передатчик), приемник информации, а также некая физическая среда, являющаяся носителем информации между приемником и передатчиком (рис.1).

Источник информации (передатчик)))

Приемник информации (приемник)

Сигнал

Рис.1. Информационный процесс

Обмен информацией в системах происходит при помощи сигналов. Носителями сигналов являются физические величины. Например: ток, напряжение, электромагнитные колебания, световые или акустические волны и т. п. Эти физические величины представляют собой функции времени. Определяющие параметры передаваемых временных функций, такие как частота, амплитуда, фаза, длительность и другие, называются информационными параметрами (I) в том случае, когда посредством этих параметров передается информация. Если физическая величина является носителем двух и более информационных параметров, то такой сигнал называют многомерным. Различают следующие виды сигналов:

· аналоговые – это сигналы, информационные параметры которых внутри заданного диапазона могут принимать любые значения;

· дискретные – это сигналы, информационные параметры которых внутри заданного диапазона могут принимать лишь определенные дискретные значения;

· непрерывные – это сигналы, информационные параметры которых могут изменяться в любой момент времени;

· прерывистые – это сигналы, информационные параметры которых могут принимать другие значения лишь в дискретные моменты времени.

Рассмотрим несколько примеров различных типов сигналов.

На рис.2 показан сигнал X(t), который существует в заданном интервале времени, поэтому он является непрерывным и т.к. параметр «I» в диапазоне своего изменения (от X_max до X_min) принимает любые значения, то он определяется как аналоговый сигнал. Примерами такого типа сигналов могут быть электрические сигналы на выходе микрофона, сигналы, поступающие от усилителя низкой частоты на акустические головки, сигналы различных термопар при измерении температуры и т.п.

Рис. 2. Аналоговый сигнал (непрерывный). Информационный параметр (I) – амплитуда

На рис. 3 показан сигнал, информационный параметр (I) которого – частота. Информация у таких сигналов передается при помощи изменения частоты сигнала. При этом частота сигнала в заданном диапазоне может принимать любые значения, поэтому такой сигнал определяется как аналоговый. Примерами такого типа сигналов являются различные радиосигналы, используемые при передаче радио- и телевизионных программ. Такие сигналы также называют частотно-модулированными.

Рис.3. Частотно-аналоговый сигнал (непрерывный). Информационный параметр (I) – частота

На рис.4 представлен так называемый сигнал опроса. Такие сигналы возникают, например, при периодическом измерении каких-либо непрерывных аналоговых величин A(t).

Рис. 4. Сигнал опроса (аналоговый, прерывистый). Информационный параметр (I) – амплитуда

Информационный параметр (I) – амплитуда может принимать любые значения в диапазоне от X_max до X_min. Из рисунка видно, что сигнал A(t) и сигнал опроса отличаются друг от друга. Сигнал опроса отображает исходный сигнал A(t) с некоторой ошибкой (погрешностью). Очевидно, что чем меньше длительность t и период Т сигнала опроса, тем меньше будет погрешность.

Дискретный прерывистый сигнал опроса, показанный на рис.5, отличается от предыдущего тем, что информационный параметр I – амплитуда может принимать значения только кратные величине Dx. Сигнал такого типа образуется при квантовании исходного аналогового сигнала в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). АЦП широко применяются в тех случаях, когда возникает необходимость в сопряжении различных цифровых систем (в том числе и ЭВМ) с устройствами, у которых информационный процесс осуществляется аналоговыми сигналами. Например, в сотовом телефоне аналоговый сигнал микрофона преобразуется в цифровой с помощью АЦП, входящего в его состав.

Рис.5. Дискретный (прерывистый) сигнал опроса, информационный параметр (I) – амплитуда

Погрешность, которая возникает при переходе от исходного аналогового сигнала A(t) к дискретному сигналу опроса, будет зависеть не только от длительности t и периода Т, но и от шага квантования Dx.

Импульсный аналоговый сигнал (рис.6) определяется как аналоговый, потому что информационный параметр (I) – фаза (положение импульса в пределах такта) может принимать любое значение. Такой сигнал широко применяется в различных системах передачи данных и образуется, как правило, в результате так называемой фазовой модуляции сигналов. Отличается повышенной помехозащищенностью.

Рис.6. Импульсный сигнал (аналоговый, прерывистый), информационный параметр (I) – фаза (положение импульса в пределах такта)

Сигналы такого типа применяются для передачи информации в модемах. Модем (модулятор-демодулятор) используется в качестве устройства сопряжения и передачи данных при подключении компьютеров по коммутируемым (например, телефонным) линиям к различным вычислительным сетям, например к глобальной сети Internet.

В цифровых системах информационный процесс на физическом уровне обеспечивается с помощью двоичных сигналов. Это связано с тем, что в основе всех цифровых схем лежит так называемый ключ (переключатель), который осуществляет коммутацию двух уровней напряжения. «Высокого», например, +5В и «низкого» – 0В. Работу такого ключа можно проиллюстрировать на примере работы обычного электромеханического переключателя – ключа – (рис.7).

Рис. 7. Схема электромеханического переключателя

В нормально замкнутом (НЗ)[1] положении подвижного контакта переключателя от источника сигнала через контакты ключа на вход приемника сигнала поступает «высокий» уровень напряжения (+5 В). При переключении на вход приемника будет поступать «низкий» уровень напряжения (0 В). Важно понять, что при таком способе формирования сигнала на выходе ключа имеет место только два значения напряжения. В цифровой электронике применяются специальные электронные ключи, построенные на основе полупроводниковых элементов. Это связано с тем, что механические ключи имеют ряд существенных недостатков:

1. Большое время переключения (~ 0,01÷0,2с) по сравнению с электронными ключами (~ 5÷10нс).

2. Дребезг при упругом соприкосновении подвижного контакта ключа с неподвижным.

3. Малый ресурс работы (гарантированное производителем количество переключений).

4. Высокая стоимость.

5. Большие габариты и масса и т.п.

На рис.8 показан двоичный (двухпозиционный) сигнал, информационным параметром которого являются два значения – высокий (единица) и низкий уровни (ноль). Такой тип сигнала является основным в различных устройствах цифровой техники.

Из курса физики известно, что никакие процессы по скорости не могут превышать скорость света. Поэтому прямой угол у фронтов импульсов на рис.8 является условным изображением.

Если изменить масштаб времени на оси абсцисс (рис.9) в сторону уменьшения, то можно наблюдать, что переход из низкого (высокого) в высокий (низкий) уровень проходит за некоторое время. Время (рис.9), за которое сигнал изменяется от низкого уровня (0) до высокого уровня (1), называется временем нарастания переднего фронта (t _п.ф). И обратно, время перепада из высокого уровня на низкий называется временем спада заднего фронта (t _з.ф).

Рис.8. Двоичный (двухпозиционный) сигнал (дискретный, непрерывный). Информационный параметр (I) – два значения нуль или единица

Рис.9. Реальный вид переднего фронта у двоичного сигнала

Можно привести еще много других видов сигналов, однако все они могут быть классифицированы как аналоговые, дискретные, непрерывные или прерывистые.

Дата добавления: 2014-11-29